武宜梁　繆　宏　滕　增　曾慶璽

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

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316H奧氏體不銹鋼焊接接頭裂紋失效分析*

武宜梁*繆宏滕增曾慶璽

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

摘要針對(duì)316H奧氏體不銹鋼焊接接頭出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，對(duì)316H鋼母材和熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行了觀(guān)察。結(jié)果表明，材料組織不均勻且有夾雜物，晶界處有析出相。同時(shí)測(cè)試了裂紋附近材料的硬度，分析了裂紋產(chǎn)生的原因。焊接接頭裂紋失效的分析為改善316H鋼焊接質(zhì)量提出了相應(yīng)的措施。

關(guān)鍵詞奧氏體不銹鋼焊接裂紋焊接工藝316H

**武宜梁，男，1989年生，碩士研究生。揚(yáng)州市，225127。

奧氏體不銹鋼具有良好的室溫及低溫韌性、焊接性、耐蝕性和耐熱性，因而被廣泛應(yīng)用于化工裝置有腐蝕介質(zhì)的高溫抗氧化設(shè)備中[1,10]。奧氏體不銹鋼含碳量很低，其最主要元素為鉻和鎳，一般Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17％～19％，Ni為8％～11％。316H鋼系奧氏體不銹鋼，國(guó)內(nèi)亦作07Cr17Ni12Mo2，具有奧氏體不銹鋼的所有優(yōu)良特性，是奧氏體不銹鋼的典型代表。

316H鋼通常需要焊接加工來(lái)構(gòu)成成品。其焊接特點(diǎn)主要有：焊縫處易形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，使雜質(zhì)和一些敏感元素在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜成為可能；焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)使鉻的碳化物從奧氏體中析出，在焊縫處形成晶間腐蝕；熱導(dǎo)率小且線(xiàn)膨脹系數(shù)大，局部不均勻加熱時(shí)，易形成較大的溫度梯度等[1]。這些特點(diǎn)會(huì)直接或間接地導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)合金鋼的焊接裂紋進(jìn)行了研究[2-7]，但對(duì)于316H奧氏體不銹鋼焊接失效行為的研究卻甚少?，F(xiàn)有某公司316H不銹鋼焊接失效的接頭部分的試樣一塊，為揭示裂紋發(fā)生的原因，本工作對(duì)該試樣的材料組織進(jìn)行了觀(guān)察研究，并用EDS（能譜定量分析）測(cè)試了焊料的元素，同時(shí)還測(cè)試了裂紋附近材料的硬度，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，為改善316H鋼焊接質(zhì)量提出了相應(yīng)的措施。

1　材料和焊接工藝

1.1產(chǎn)品規(guī)格及材料

用于運(yùn)輸氣體或液體的管件產(chǎn)品因焊接接頭裂紋而失效。管件規(guī)格?610×12.7，外徑610 mm，壁厚12.7 mm。材料為316H奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。為了對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，取焊后失效的材料制成試樣。試樣是采用電火花線(xiàn)切割的，切出的一塊小試樣尺寸為30 mm×25 mm。圖1所示為用超聲波清洗器清洗過(guò)的試樣。

表1　316H不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),％）

圖1　316H材料焊接接頭試樣

1.2焊接工藝

所取試樣來(lái)自于兩管件焊接接頭部分，管件與管件之間采用氬弧焊焊接（氬弧焊：明弧焊接，操作和觀(guān)察都比較方便，可進(jìn)行各種位置的焊接，目前廣泛應(yīng)用于不銹鋼和耐熱鋼等材料的焊接）。由于先焊接后熱處理容易造成變形，所以公司采取的制造工藝為先壓片后熱處理再焊接。

2　分析與討論

2.1組織分析

從管件母材上切取試樣，先用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行打磨，然后采用金剛石拋光劑進(jìn)行拋光。對(duì)用于金相觀(guān)察的試樣部位用王水進(jìn)行腐蝕，腐蝕10～15 s后，用金相顯微鏡觀(guān)察母材的金相組織，圖2為其不同倍數(shù)下的顯微組織。由圖2（a）可見(jiàn)，晶粒大小不是很均勻；由圖2（b）可見(jiàn)，在晶界處存在一些夾雜物，且晶粒與晶粒結(jié)合得并不是很好。也就是說(shuō)，晶界為母材的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)裂紋的產(chǎn)生起了促進(jìn)作用。

圖2　316H不銹鋼金相組織

2.2微觀(guān)裂紋分析

在圖3所示的焊縫處微觀(guān)形貌圖中，可在晶界處看到有異物。查閱相關(guān)資料[1]可知，該異物可能為液態(tài)薄膜或者σ相的一種。通常，低熔點(diǎn)雜質(zhì)（S、P等）易于在奧氏體晶界富集，在枝晶間形成液態(tài)薄膜，增大熱裂紋的傾向[8]。如果是低熔點(diǎn)雜質(zhì)偏析形成液態(tài)間層，那么這些雜質(zhì)最有可能來(lái)源于焊料。由EDS測(cè)得，焊料藥皮中各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w（C）=6.97％，w（O）=38.90％，w（Na）=3.27％，w（Mg）=0.52％，w（Al）=3.02％，w（Si）=17.07％，w（Cl）=0.73％，w（K）=4.62％，w（Ca）=16.89％，w（Ti）=6.68％，w（Fe）=1.34％。測(cè)得焊料焊芯成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w（C）=3.22％，w（Na）=1.04％，w（Al）=0.30％，w（Si）=0.38％，w（Cr）=19.11％，w（Fe）=62.34％，w（Ni）=11.74％，w（Mo）=1.87％。對(duì)EDS測(cè)得的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以排除形成液態(tài)薄膜的可能。奧氏體不銹鋼在高溫加熱過(guò)程中會(huì)發(fā)生σ相析出脆化，所以初步判斷該異物為σ相。觀(guān)察焊料成分可以發(fā)現(xiàn)，焊料中含有Mo和Si，這兩種元素可以促成σ相形成，即在高溫條件下發(fā)生σ相析出脆化并形成裂紋。

圖3　焊縫處微觀(guān)形貌

2.3微觀(guān)斷口分析

圖4為采用XL-30 ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡拍得的部分試件沿裂紋拉斷的微觀(guān)形貌圖片[9]。由圖4可見(jiàn)，晶間存在大量的微觀(guān)裂紋，裂紋擴(kuò)展特征以沿晶擴(kuò)展為主，上述分析是造成該現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。結(jié)合圖1可以看出，縱向裂紋的擴(kuò)展方向是從焊縫與熱影響區(qū)結(jié)合處至母材的方向。

圖4　斷口微觀(guān)照片

2.4硬度分析

采用MHV—1000型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對(duì)試樣的局部硬度進(jìn)行測(cè)試，以便于進(jìn)行分析。測(cè)點(diǎn)選擇如圖5所示。在縱向方向，從焊接接頭下表面至上表面，每隔0.5 mm測(cè)一個(gè)點(diǎn)，共測(cè)試5條分布線(xiàn)，從左至右依次為1至5號(hào)分布線(xiàn)。由焊縫區(qū)至熱影響區(qū)分布線(xiàn)的排列為：焊縫區(qū)2條（較密一些）；中間裂紋區(qū)1條；熱影響區(qū)2條（松散一些）。

由圖5（b）～（f）可知，1～5號(hào)分布線(xiàn)硬度平均值依次為237.31、215.63、228.64、229.60、220.83 HV。1號(hào)線(xiàn)處由于焊料向兩旁流動(dòng)，所以冷卻速度最快，硬度值最大；2號(hào)線(xiàn)處由于焊料集中堆覆在此處，溫度很高，冷卻速度最慢，所以硬度值最??；3號(hào)線(xiàn)處由于靠近熱影響區(qū)，受母材的影響，冷卻速度較慢；4號(hào)線(xiàn)處由于離熱影響區(qū)更近，所以冷卻速度較快；5號(hào)線(xiàn)處為母材的硬度。結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)，在焊道與母材交界處形成一橫向裂紋，這是由于3號(hào)線(xiàn)附近受2號(hào)、4號(hào)線(xiàn)處冷卻擠壓所致。2號(hào)線(xiàn)、4號(hào)線(xiàn)處溫度相對(duì)于3號(hào)線(xiàn)處有一個(gè)差值，由于熱脹冷縮的緣故，分別對(duì)3號(hào)線(xiàn)處形成擠壓，產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。同時(shí)，3號(hào)線(xiàn)位置正好處于焊縫與母材交界處，有一個(gè)坡度差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，為該裂紋的產(chǎn)生提供了便利。

圖5　焊接接頭的硬度分布

由圖1可以看出，縱向的裂紋起源于橫向裂紋。在該試樣上，以橫向裂紋為起點(diǎn)，在縱向方向產(chǎn)生了沿晶擴(kuò)展的微觀(guān)裂紋。

2.5裂紋的原因分析

2.5.1材料存在缺陷

由母材金相組織可以得出，管件材料中存在缺陷，晶粒晶界處有一些夾雜物，并且晶粒與晶粒結(jié)合得并不是很好。晶界處為母材的薄弱環(huán)節(jié)，這就為裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。同時(shí)，焊料中含有可促成σ相形成的元素，這就使得管件材料在高溫條件下易發(fā)生σ相析出脆化，致使裂紋形成。

2.5.2殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中

管件采取先壓片后熱處理再焊接的工藝，焊接是最后一道工序。焊接完成后，管件的組織比較粗大，會(huì)帶來(lái)焊后殘余應(yīng)力。在焊縫與母材交界處有一個(gè)坡度差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中都會(huì)引起裂紋的產(chǎn)生。

2.5.3溫度

奧氏體不銹鋼由于熱導(dǎo)率較低，在局部快速加熱時(shí)溫度分布不均勻，易形成較大的溫度梯度，導(dǎo)致嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力。焊接過(guò)程中的熱輸入（電弧溫度）越大，焊后工件的變形量也越大，較大的變形量會(huì)

導(dǎo)致焊后有較大的焊接應(yīng)力[10]。因此，可以認(rèn)為溫度是產(chǎn)生裂紋的主要因素。

3　結(jié)論

（1）管件材料組織存在雜質(zhì)、母材晶界弱化和焊料中存在析出相形成元素，都會(huì)使得微裂紋在焊縫和母材交界處附近沿母材晶界擴(kuò)展，從而導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生。

（2）焊后應(yīng)進(jìn)行整體熱處理，以細(xì)化管件組織，消除焊后殘余應(yīng)力。焊縫處應(yīng)避免應(yīng)力集中，減小坡度，盡量使之平整。

（3）焊接過(guò)程中熱輸入過(guò)大及母材內(nèi)部溫度梯度過(guò)大造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生，通過(guò)焊前預(yù)熱、焊后緩冷、降低熱輸入以及適當(dāng)錘擊以釋放焊接應(yīng)力等措施，可有效避免裂紋的產(chǎn)生。

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化工管道

Crack Failure Analysis of Welded Joint of 316H Austenitic Stainless Steel

Wu Yiliang Miao Hong Teng Zeng Zeng Qingxi

Abstract：In response to the crack in the welded joint of the 316H austenitic stainless steel,the metallographic structure of the base metal and heat-affected zone are observed.The results show that the structure of the material is inhomogeneous and with inclusions while the precipitate phase is gained at the grain boundary.At the same time,the hardness of the material around the crack is tested and the cause of crack is analyzed.All in all,according to the crack failure analysis of the welded joint,the corresponding measures for improving the welding quality of 316H steel is provided.

Key words：Austenitic stainless steel; Welding; Crack; Welding process; 316H

收稿日期：（2015-08-26）

*基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)基金（BKJB460016）；江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BE2013110）。

中圖分類(lèi)號(hào)TG 441

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007- 7251.2016.04.010